面向高自由度的發動機虛擬維修考核方法設計

王海濤，翟仕奇,,，王碩，錢坤，鄧慶

面向高自由度的發動機虛擬維修考核方法設計

王海濤1，翟仕奇*,1,2，王碩1，錢坤1，鄧慶2

（1.陸軍工程大學 野戰工程學院，江蘇 南京 210007；2.31619部隊，江蘇 鎮江 212421）

在發動機虛擬維修訓練考核中，為了克服傳統考核模式的單一性和評判規則的固定性，引入高自由度設計規則，通過將每個虛擬維修訓練模塊的考核內容納入考核全過程動態調整中，打破理論知識、形態認知、虛擬拆裝、維護保養、故障排除五個模塊之間的相互獨立性，采用智能組卷策略，合理設計考核科目，設置了考核流程科目隨機、考核內容動態調整和考核標準評判多樣三種高自由度考核方法，使各模塊考核內容關聯化，評判規則多樣化，形成緊貼實際、自由靈活、科學高效的發動機虛擬維修考核方法。

發動機；虛擬維修；考核方法設計；高自由度

發動機是機械裝備的核心動力組件，其性能的發揮直接制約著裝備整裝性能，甚至影響裝備保障任務的完成效果。隨著計算機仿真技術及3D建模技術的快速發展，虛擬教學逐漸普及，為發動機維修訓練提供了一種新的實現途徑[1]。

發動機虛擬維修系統通過虛擬現實技術再現發動機維修過程和方法，主要使受訓者對發動機具備初步的直觀認識，熟悉發動機結構組成、工作原理及零部件的裝配關系，并能夠在虛擬系統中完成發動機的虛擬拆裝、維護保養、故障排除等維修操作。訓練結束后，受訓者通過系統完成發動機虛擬維修考核，并由系統自動對其評價[2-3]。

在發動機維修過程中，由于維修習慣、維修方法和維修技能等方面的差異，維修人員在面對同一維修任務時，所選擇的維修方法有所不同，維修步驟千差萬別，維修過程存在高自由度的特點。在問題解決方案上，維修人員根據自身經驗、技能水平和維修進度狀況，靈活調整維修步驟，具有較高的自主選擇權，尤其體現在零部件拆裝、保養及故障排除方面。因此，針對發動機維修過程的高自由度特點，在進行發動機虛擬維修考核方法設計時，將高自由度特點融入到考核方法設計中，設計一種既貼近維修工作實際又符合維修規律的考核方法[4-5]。

1 發動機虛擬維修主要內容

為了使受訓人員熟練掌握發動機的結構性能、工作原理、維修技能等內容，按照發動機維修工作實際，發動機虛擬維修系統設計了基礎認知、結構原理、虛擬拆裝、維護保養、故障排除和訓練考核等六大功能模塊，每個功能模塊按照規范標準設置，具體內容如圖1所示。

1.1 基礎認知

基礎認知模塊主要用于展示介紹發動機的主要用途、外部形態、基本組成及配合約束關系。發動機虛擬維修系統設計以固定點位和自由視角兩種方式提供漫游觀察與基礎認知，受訓者可以在虛擬場景中漫游，沉浸式觀察發動機的形態與組成。

1.2 結構原理

結構原理模塊主要以視頻動畫、語音講解、文字介紹等方式，展示發動機系統、零部件的組成結構、幾何形態、連接關系和工作原理等。該模塊讓受訓者在操作過程中對發動機內部的工作過程、連接關系、運動機理及力的傳遞等內容形成直觀、形象的認知與理解。

圖1 發動機虛擬維修訓練內容

1.3 虛擬拆裝

虛擬拆裝是維修保養和故障排除的基礎技能，該模塊根據發動機整機、典型部件的結構原理與約束關系，分析、規劃拆裝序列，構建面向發動機部件的拆裝矩陣與解算模型，結合方法提示、序列引導、邊界約束、錯誤警告等輔助手段，使受訓者掌握重要零部件的結構特點和拆裝方法，進一步強化發動機維修技能奠定基礎，其訓練流程如圖2所示。

1.4 維護保養

維護保養的基本任務是使發動機保持清潔完整、潤滑良好、調整適當、緊固可靠的良好工作狀態，以減少磨損、降低消耗、延長發動機工作壽命，該模塊使受訓者逐步深入熟悉和掌握發動機的維護保養時機、內容與方法[6]，其訓練流程如圖3所示。

圖2 虛擬拆裝訓練流程

圖3 維護保養訓練流程

1.5 故障排除

故障排除是發動機維修的主要工作，該功能模塊在虛擬仿真環境下運用語音、文字、高亮顯示、圖像仿真、儀表指示等多種方式呈現故障現象，引導受訓者按照選擇合適的維修操作進行故障排除。其工作界面如圖4所示，故障排除訓練流程如圖5所示。

圖4 發動機虛擬維修系統故障排除模塊

圖5 故障排除訓練流程

1.6 訓練考核

考核是發動機維修訓練的最后環節，是檢驗受訓人員訓練質量好壞的重要手段。發動機虛擬維修系統訓練考核主要采取理論考核和操作考核兩種模式：理論考核包括理論知識考核和形態認知考核；操作考核包括虛擬拆裝考核、維護保養考核和故障排除考核。系統通過智能化組卷，合理設計考核流程，全程跟蹤記錄考生操作信息，將操作數據與評判規則相匹配，并結合評價綜合模型，客觀評價考生的訓練效果。

2 考核設計中高自由度涵義

自由度原本指計算某一變量時取值不受限制的個數。在數學上自由度用來表示某隨機向量能被完整描述所需的最小維度數；在力學中自由度用來表示確定某種機構運動時必須給定的獨立運動參數的坐標數；在統計學中自由度用來表示估計總體參數時樣本統計量中獨立或能自由變化的變量數。在發動機虛擬維修考核方法設計中，自由度主要指維修人員選擇維修過程和維修步驟的多樣性[7]。

傳統虛擬訓練考核提前抽組考核題目，固定設置考核流程，組卷策略簡單，考核模式較為單一。本文在發動機虛擬維修考核方法設計中，引入高自由度概念，打破考核模塊獨立的傳統模式，充分結合考核內容和考核流程，將兩者融入到考核過程動態變化中。比如，任由考生選擇考核順序、采取智能化組卷策略動態調整考核試題、允許考生在符合規范的前提下選擇多種操作方法等。

發動機虛擬維修考核的高自由度設計主要體現在考核流程科目隨機、考核內容動態調整、考核標準評判多樣三個方面。

2.1 考核流程科目隨機

在傳統虛擬維修考核流程中，考生只能按照設定好的流程，根據考核過程引導逐項完成考核內容，考生自身沒有自主選擇性。本文設計考核流程科目隨機的高自由度，允許考生在考核過程中具有選擇考核科目順序的自主性。

發動機虛擬維修系統在虛擬車間分散設置考核科目，當考生進入虛擬考核環境后，根據考生漫游路徑，系統考核環境提示考生是否就當前考核科目接受考核，其考核流程示意圖如圖6所示。比如，如果考生先漫游至虛擬拆裝考區，系統提示考生是否接受此科目考核，此時，考生具有自主選擇權，若考生接受此科目考核，則優先進行虛擬拆裝考核。該科目考核結束后，考生再隨機漫游至其他考區，直至完成所有考核。

因此，在具有科目隨機高自由度的考核流程中，隨著考生的能力水平、漫游路徑、個人習慣、臨考狀態的不同，科目考核順序也會產生較大區別。這種個性化和差異化的考核設計，使考生具有較高的自主選擇性，可以根據自己的實際情況作出適合自己的選擇，由此打破了考核科目順序固定的傳統模式。

圖6 考核流程科目隨機的高自由度設計

2.2 考核內容動態調整

傳統考核模式考前完成抽組試題，其組卷策略大多采取隨機抽取法，雖能基本按照知識點分布情況分配試題，但是此方法較為簡單呆板，無法滿足現今多變的考核要求[8]。考核內容動態調整的高自由度設計隨著考核過程的動態發展調整題目內容，只在當前科目考核完畢后、確定后續考核科目前進行抽組。一方面，由于考核流程科目隨機的高自由度設計，考生選擇考核科目順序不同，考核知識點有所差異，組卷依據的知識點關聯度發生變化，直接影響后續考題抽取；另一方面，系統分析考核成績，實時更新數據依據，優化組卷模型約束條件，保證試題抽取的適應性。因此，系統設計時按照考核順序依次抽組試卷，根據考核內容動態調整，其組卷流程如圖7所示。

圖7 考核內容動態調整組卷流程

本文建立題目難易度、知識點關聯度以及錯誤率等多項約束條件，采取遺傳算法組卷策略[9]。該組卷算法將題目的屬性分為：試卷總分、答題總時間、題型分布、知識點關聯度、試卷難度分布，題目難易度值劃分如表1所示。

表1 題目難易度值

表2 發動機虛擬維修考核組卷約束條件

根據表2發動機虛擬維修考核組卷約束條件，建立目標矩陣：

該矩陣中，為一套試卷總題目數，每一行代表一道題目，行元素代表每道題目的約束條件。當目標矩陣符合所有約束條件時，試卷抽組才算完成，否則要優化約束條件，不斷回溯繼續抽組，直到條件滿足為止[10]。

目標矩陣涵義如表3所示。

表3 目標矩陣涵義

試卷約束條件計算規則如下所示：

（1）約束條件1：試卷總分。

（2）約束條件2：答題總時間

（3）約束條件3：題型分布

（4）約束條件4：知識點關聯度

（5）約束條件5：試卷難度

基于多種約束條件的個性化組卷策略，篩選組合題庫中題目，針對不同考核者實現了智能化組卷，動態調整考核內容，保證考核內容的綜合性和全面性，更加有助于對考生的虛擬維修水平進行合理評價。

2.3 考核標準評判多樣

在發動機維修考核實踐中，考生的各項操作步驟是否符合規范標準，主要由考官實時實地現場評判。在現場考核中，考生的所有行為可視可見，包括作風紀律和操作步驟等，均在考官注視下進行。考核時考生只要不違反操作規程，不損傷機器設備，科學合理的范圍內的操作都會被允許，考核結果由考官進行綜合評判。

當前虛擬維修系統考核設計時，大多按照某一操作標準設置了固定序列，考生唯有嚴格按照此序列操作，才能完成考核。這種考核設計內容設置簡單，評價規則相對單一，可供考生選擇的方法不具有多樣性，也不符合客觀實際。因此，面向高自由度的發動機虛擬維修考核，需要根據實際操作規程和維修考核經驗，設置多種操作序列，提供考生多樣化選擇并予以合理評判。

（1）虛擬拆裝的高自由度設計

零部件拆卸存在先后順序，用拆卸優先關系來表示，得到所有零部件的拆卸優先關系圖DA，設DA＝{,}，為零件集合，為有向邊集合，對于有向邊e∈表示零件優先于零件拆卸[11]。

在一般的零部件拆卸優先關系圖中引入穩定性因素：零部件間存在重力支撐關系以保證結構穩定的連接為穩定性連接，用增強鄰接矩陣表達具有穩定連接性的拆卸優先關系，設＝{l}，表示零件對零件具有穩定性約束。如果有向邊e存在，則l＝１，即零件優先于零件拆卸；零件、間存在穩定性連接關系，則l＝2，即零件需緊接零件拆卸，否則導致部件不穩定；有向邊e不存在，則l＝0，即零件、之間不存在直接的優先關系，如表5所示。

表5 增強鄰接矩陣取值涵義

在機械機構中，部件越復雜，存在的約束關系也就越復雜。虛擬拆裝設計時，考慮到零件的高自由度特點，其拆裝的優先關系存在著較大的差異。當前研究者側重于尋求最優拆裝路徑算法，如蟻群算法、遺傳算法、離散布谷鳥算法等，但對于高自由度的拆裝設計鮮有涉及[12-14]。

以虛擬拆卸為例，根據零部件幾何約束關系，本文通過蟻群算法求得最優序列，并以拆卸方向、工具改變次數和過程穩定性為評價指標，建立虛擬拆卸序列評價目標函數為：

式中：f()為單次拆卸操作評價指標；min∑f()為拆卸序列最優化時的目標函數值。

式中：ω（＝1, 2, 3）為權重系數；s（＝1, 2, 3）為目標影響因子。當c＝2時，1＝0.1；否則1＝1。拆卸序列→，如果拆卸方向相同，則2＝0.1；否則2＝1。拆卸序列→，拆卸工具相同，則3＝0.1；否則3＝1，具體計算方法參照基于蟻群算法的選擇性拆卸序列規劃研究。

同理，虛擬分解、虛擬裝配和虛擬安裝按照此方法建立相應的評價目標函數。虛擬拆裝的高自由度設計，模擬真實零部件約束關系，使考生在虛擬環境操作中有充分的自由選擇，更加符合拆裝實際。

（2）維護保養的高自由度設計

維護保養考核中，其高自由度的設計主要體現在保養任務完成順序方面，即在規范條件下，允許考生自由選擇保養任務完成的先后順序。但是考慮到過高的自由度設計會給系統的實現和運行帶來困難，因此，在符合實際需求條件下，在完成每項保養任務時不再設置操作的自由度，考生需按照規定步驟完成具體保養任務。

（3）故障排除的高自由度設計

在故障排除考核中，發動機故障的原因是多方面的，因此在設計自由度時在排除故障原因順序之間設置自由度，也就是允許考生自由選擇故障排除完成的先后順序。同樣考慮到系統設計繁雜的原因，對具體故障排除步驟不再進行高自由度的設計，考生亦需按照規范要求的步驟完成故障排除。

3 發動機虛擬維修考核科目設計

發動機虛擬維修考核設計總共設置五個考核單元，分別為理論知識、形態認知、虛擬拆裝、維護保養、故障排除。每個考核單元既相互獨立，又互有關聯度，考核內容和考核順序隨著考核進度動態調整。

3.1 理論知識考核設計

理論知識單元是對原理示教內容的考核，主要考查考生對發動機工作原理和組成結構的掌握情況，題型分為單項選擇題、多項選擇題、判斷題三種題型，組卷方法為智能化組卷策略。主要采取兩種考核方式：一是試卷問答，考生需集中時間完成試卷；二是隨機問答，將理論知識穿插在其他單元考核過程中，根據系統環節設置隨機提問，答題方式依然為選擇與判斷的形式。

3.2 形態認知考核設計

發動機各組成部件的形態認知是虛擬拆裝和故障維修的基礎，考生只有熟練辨別每個零部件才能更好地完成其他復雜的科目。該考核單元主要分為部件識別和零件識別，采取百分制。考核采取選擇題的形式，由系統顯示需要判別的零部件，考生可控制模型進行360度漫游觀察，在規定時間內完成判斷。形態認知采取兩種考核方式：一是組卷考核，考生需在集中時間內連續完成識別；二是隨機問答，在虛擬拆裝過程中隨機設置形態識別，需要考生對拆下的零件進行判別。

3.3 虛擬拆裝考核設計

發動機拆裝是發動機維修的基礎工作和必備技能，是虛擬維修訓練的重要內容之一，對維修能力的生成產生直接影響。虛擬拆裝考核單元主要分為四個內容：虛擬拆卸、虛擬分解、虛擬裝配、虛擬安裝。在該單元考核設計時，不僅設置有發動機整裝的虛擬拆裝，還有重點部件的拆裝（比如高壓柴油泵、燃油泵、柱塞泵等）。同時充分考慮虛擬拆裝過程中的高自由度特點，允許考生選擇不同的拆裝方法，并對于不同的拆裝序列進行評價。

3.4 維護保養考核設計

維護保養考核單元根據其保養規范設置了五項內容：清潔、緊定、調整、潤滑、防腐。參照保養標準，虛擬維修系統將保養流程存儲在系統數據庫，對考生的每一步操作流程進行識別判斷并評價。但發動機結構復雜，每個系統或部件都有很多保養項目，每個項目都有一定的技術要求。因此，系統在進行保養考核設計時，必須使保養內容嚴格按照技術要求進行，避免摻雜過多的主觀因素。

3.5 故障排除考核設計

故障排除考核是檢驗考生發現故障能力和解決故障能力的重要單元。系統通過設置發動機典型故障排除案例，以此檢驗考生的維修能力。按照故障排除的邏輯思維步驟，主要考查考生的故障分析、故障判斷、故障定位、故障排除等四個方面的內容。故障排除考核設計主要考慮以下幾個方面的因素：

（1）維修工具的選擇、使用方法和歸置秩序；

（2）故障部位的識別與定位；

（3）故障情況的檢查方法；

（4）維修操作的實施步驟；

（5）維修效果的評價。

4 發動機虛擬維修考核流程設計

根據發動機維修考核實踐經驗，結合系統設計的高自由度特點，靈活設置考核內容和考核順序。當考生進入考核系統后，經用戶身份驗證進入虛擬考核環境，考生可自由漫游至各個考區，根據自身情況選擇考核順序。當考生到達相應考核單元時，系統提示考生是否接受該單元考核，此時考生具有自主選擇性。當考生完成某項考核后，系統提示考核完成，而后考生繼續漫游至其他考區，直至完成所有考核。

在進行虛擬拆裝、維護保養和故障排除三項操作考核過程中，系統穿插進行理論知識和形態識別的隨機問答，同時根據已考單元考核內容，動態調整后續試卷考題，避免考核內容的重復性。

考核全部結束后，根據考核評判標準和操作行為記錄，系統對每項評價指標進行賦值打分，經評價模型解算，給出最終的發動機虛擬維修等級水平，并提供各個評價指標所得分值和對應等級的查詢。發動機虛擬維修系統考核過程部分工作界面如圖8所示。

圖8 發動機虛擬維修考核過程工作界面

5 結論

根據發動機虛擬維修的涵義和主要內容，對發動機虛擬維修考核的高自由度設計進行了考核流程科目隨機、考核內容動態調整和考核標準評判多樣等三個方面的闡述，明確了理論知識、形態認知、虛擬拆裝、維護保養和故障排除五個模塊的考核內容和考核規則，最后設計了發動機虛擬維修考核的總體流程，并得到以下結論：

（1）考核流程科目隨機設置個性化和差異化特點，能夠適應不同考生的考核需求。

（2）考核內容動態調整通過智能化組卷方式，合理調整考核內容，使考核方法更加科學。

（3）考核標準評判多樣設置多種操作序列，提供考生多樣化選擇，使考核評價更加合理。

（4）發動機虛擬維修考核方法的高自由度設計，創新了虛擬訓練考核模式，方式新穎，設計科學，能夠客觀評價考生的訓練效果。

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Design of Engine Virtual Maintenance Assessment Method Oriented to High Degree of Freedom

WANG Haitao1，ZHAI Shiqi1,2，WANG Shuo1，QIAN Kun1，DENG Qing2

(1.College of Field Engineering, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007, China;2.31619 Unit of PLA, Zhenjiang 212421, China)

In the engine virtual maintenance training assessment, in order to overcome the singleness of the traditional assessment model and the fixedness of the judgment rules, a high degree of freedom design rule is introduced, and the assessment content of each virtual maintenance training module is included in the dynamic adjustment of the entire assessment process, which breaks the independence among the five modules of theoretical knowledge, morphological cognition, virtual disassembly, maintenance and troubleshooting. Intelligent strategy is adopted for the assessment, the subjects are set randomly, the content is adjusted dynamically, and the assessment rules are diversified, which is of high degree of freedom, so that the assessment content of each module is related and at the same time with diversified assessment rules, forming a virtual engine maintenance assessment method that is close to reality, free, flexible, scientific and efficient.

engine；virtual maintenance；evaluation method design；high degree of freedom

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.11.004

1006-0316 (2022) 11-0028-08

2022-03-24

裝備預先研究共用技術項目：基于增強現實的裝備維修輔助技術（50904040201）

王海濤（1978－），男，安徽宿松人，碩士，副教授、碩士研究生導師，主要研究方向為工程裝備虛擬仿真與虛擬維修，E-mail：63208452@qq.com。*通訊作者：翟仕奇（1991－），男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要研究方向為工程裝備虛擬維修，E-mail：1193603916qq.com。